超声波在化工领域中的应用（二）

4 乳化、破乳
    目前对超声乳化的理论主要有三种：空化、表面不稳定性和超声作用下所引起的微冲流。超声乳化与一般乳化工艺和设备(如螺旋桨、胶体磨及均化器等)相比，具有如下特点：(1)乳化质量高，所形成的乳液平均液滴尺寸小，可为 0.2～2μm，液滴尺寸分布范围窄，可为 0.1～10μm或更窄，浓度高，纯乳液浓度可达30%，外加乳化剂可达70%。(2)可以不用或少用乳化剂就产生稳定的乳液，有的可稳定几个月至半年以上，耗能小，生产效率高，成本低。
(3)可以控制乳液的类型。在某些声场条件下，o/w(水包油)和w/o(油包水)型乳液都可制备，然而用机械乳化方法这是不可能的，只有乳化剂的性质才能控制乳酸的类型。例如，甲苯在水中乳化，在低声强条件下可以形成一种类型的乳液，而在高声强条件下则可能形成另一种类型的乳液。(4)生产乳液所需功率小。如：制备4.55m3/h、液滴尺寸为1μm的乳液，若采用簧片哨，当工作压力为10.5～14.1kg/cm2时，只需5～7马力的驱动功率，而采用高压均化器，工作压力为70.3～351.6kg/cm2时，则需 40～50马力的驱动功率。超声乳化还可以制备用一般方法根本不能得到的乳浊液，如普通搅拌只能得到5%石蜡在水中的乳浊液，而在声场中，可以得到20%石蜡乳浊液。燃油掺水超声乳化、燃烧，在国内已推广应用多年。该过程中不需添加乳化剂，乳化油中水珠粒径达1μm左右，取得了节能6%～25%、减少烟尘40%～90%、降低NO x20%～75%的效果，节油环保。在煤油混合燃料中加入少量水进行超声乳化混合，可以生产稳定的煤油悬浮液，含煤达40%以上，便于储存和运输，效益显著。另一方面，在低声强和一定频率下，超声能使乳化液破乳。美国Teksonic公司开发了一种高效而经济的工艺，利用超声波对油水乳化物进行破乳处理，取得了良好的效果。此外，该公司还把超声波技术用于三相非均一物系的分离，如用于破坏难处理的油-水-固乳化物，使其得以分离。

5 化学反应超声波作用于化学反应
       利用超声空化现象。空化泡崩溃产生局部的高温、高压和强烈的冲击波及射流，为在一般条件下难以实现或不可能实现的化学反应提供了一种新的非常特殊的物理化学环境，它是一门新兴的声学与化学边缘交叉学科。大量实验证明超声波可广泛应用于各种反应，包括：
(1)合成化学方面，特别是超声在有机合成中应用研究发展很快，主要研究对象是多相反应，特别是有机金属。超声的粉碎和使表面活化，有可能代替相转移催化剂(PTC)反应。包括金属表面参与的反应(如加速催化反应)、粉末状固体颗粒参与的反应、乳化反应、均相反应。
(2)高聚物化学方面，如聚合反应、高分子降解反应。
(3)电化学方面，将超声波细胞破碎仪直接引入电镀槽，由于空化作用，增加了沉积速率，提高电流密度。
(4)分析化学。超声波已成为许多有机金属化合物的常规合成技术。如在格氏试剂的合成中，传统方法需使用经严格干燥的乙醚，且需加入少量碘作诱导剂。而在超声辐射下，该反应可用普通试剂级乙醚而无需干燥，反应的诱导期也缩短到几秒。这一发现对格氏试剂的工业化生产具有重要意义。将超声辐射用于均相和非均相催化反应能不断剥除催化剂表面吸附的反应物，暴露出新的催化面，从而有效地保持了催化剂的活性，例如，美国Moulton利用超声使豆油的催化加氢加快了100多倍；用镍粉作催化剂的烯烃加氢反应经超声辐射后，反应速度可加快十多万倍，这一发现将对石油化工产生重大影响。目前在电镀中使用超声波，实际上是超声在电化学中应用的一个例子，将超声辐射用于电化学过程，可保持电极的清洁、使电极表面脱气、同时还能改善传质，这些优点使得电化学过程更为有效，可以改进镀层的附着性、硬度和光洁度等，并使电镀可在较低的电流密度下完成，电镀速度明显提高。近年来，在固态核磁共振技术中超声辐射已被用来使谱线变窄，这一技术被称为声致变窄(SIN)，它比磁角自旋MAS技术更方便实用。例如，用20kHz的超声辐射悬浮于四氯化碳中的硫酸铝，其Al四极共振光谱的半峰宽为170Hz，而用MAS技术所得的同一谱线的半峰宽则为660Hz。在气相色谱中用超声脱气改进固定相涂布的均匀性已成为常规操作。影响超声化学反应的参数很多，主要包括工作频率、强度、功率、辐射时间、波形、反应介质温度、大气压强等。例如在合成化学中超声频率一般选在几十kHz，在聚合化学中超声频率一般在1MHz以下，但声强一般大于5W/cm 2。

6、解除油井堵塞、防垢除垢、防蜡，提高采油量，降低原油的粘度
 采油在油井开采过程中，常常会因各种原因在油井中形成一些堵塞物，阻碍原油流入井筒中，降低原油的渗透率，影响中后期油井的产量及油田采收率。通过声波处理生产油井、注水井及近井油层，使油层中流体的物性及流态发生变化，改善井底近井油层的流通条件及渗透性，解除堵塞、防垢除垢、防蜡，提高采油量，降低原油的粘度。
超声波采油的原理是：当大功率的超声波进入油层中时，油层中的毛细管直径就会随着超声波的作用发生时大时小的变化。当毛细管直径发生变化时，其表面张力、毛细管力也随之变化。当毛细管半径变大时，表面张力以半径的平方倍缩小，毛细管力以半径的立方倍缩小，这就使原来毛细管力和重力的平衡关系被打破，束缚在毛细管中的残余油，由于力的平衡关系被打破，就会在重力与超声波的振动作用下流入井中。此外，在大功率超声波的作用下，油层还会裂开，形成裂缝，提高原油的渗透率。超声波采油的适用范围主要有：
(1)钻井时，泥浆浸泡时间较长，对油井造成严重污染的油井；
(2)油层堵塞严重，且对水、酸敏感的油井；
(3)距油水边界较近，不能采用压裂增产措施的油井；
(4)油层物性好，油层厚度大，但出油能力差的油井；
(5)稠油井、结蜡井；
(6)因盐垢、垢堵或者由于机械杂质污染而渗透率急剧下降的油井。
20世纪60年代，美国科学家首先进行了超声波油井增产的研究，并且在俄克拉荷马州华盛顿县的油井中进行了超声采油的矿场试验，试验取得了一定的成效。随后，原苏联在超声波采油技术的研究和应用方面进行了大量的工作，并一直处于世界领先地位。我国科技工作者研制出了可用于油田井下的大功率超声波采油机，并在玉门、大庆等油田现场进行了超声技术采油技术的试验，使作用油田油层物性明显好转，流动系数、流度比、比层系数渗透率等均有大幅度提高，取得了比较理想的效果。利用超声波细胞破碎仪处理油井和油层，可以提高原油产量40%～50%，提高采收率10%以上，其成功率可达80%，增产期可长达半年以上。超声波采油设备多为车载式，作业比较灵活方便。由安置在地面上的超声波发生器产生几万Hz(一般在16k～30kHz之间)的电信号，经电缆传输至位于井筒内油层段的超声波换能器，超声波换能器将电信号转换成声信号，声信号经井筒内的原油传播到油层中。超声波采油的主要优点有：
(1)作用迅速，增产效果明显；
(2)不会对油井产生污染，不会损坏油层；
(3)设备费用相对较低，施工工艺简单，成本低，效益高；
(4)可与其他增产方法结合使用，优势互补；
(5)适用范围广。目前，超声波发生器的电功率已达上百千瓦，超声换能器的形状一般是圆柱形，长度约1～2m，半径约几十毫米左右。超声波采油技术无论是在工艺技术，还是在设备的研究方面都已经趋向成熟。该技术具有广阔的发展前景，必将对油田的后期增产起到重要的作用。

7、其他应用
超声波细胞破碎仪还可应用于化工领域的许多方面。如应用于膜分离中有明显加速传质和去浓差极化作用，可以提高膜分离的分离效率；应用于污水处理，可以有效的将其中的有机物质分离出来，并能将废水中的有害物质分解；在发酵过程中，超声波能够促使细胞中的生物酶很快释放到细胞外，从而较大程度的提高发酵液的总体酶活性，相应提高了底物的转化率；用于热敏物质的干燥不必升温就可以将水从固体中除去，加快干燥速度和降低固体中残留水含量；用于制备微泡、焊接等等。